現澆雙曲拱橋拆除施工技術

劉云飛

(天門市公路防汛救災搶險中心,天門 431700)

20世紀60、70年代,我國橋梁事業發展飛快,然而當時大跨度混凝土橋梁建設技術并不成熟,雙曲拱橋應運而生。因雙曲拱橋將預制裝配施工的優點發揮充分,并且施工時可以不需要滿堂支架,且所耗工料不多等特點[1],在當時得到廣泛應用。然而受20世紀施工水平、建筑材料、施工規范等的限制,許多鋼筋混凝土拱橋拱圈、拱肋、橋臺、路面等結構出現了不同程度的開裂和混凝土剝落導致的鋼筋外露銹蝕、混凝土碳化嚴重等病害[2]。上述問題不僅對橋梁結構耐久性和使用安全性產生影響,而且很大程度地限制了橋梁的正常服役。當前相當一部分雙曲拱橋已有40年以上歷史,因為不能滿足當前因經濟快速發展而導致交通量急劇增加及荷載等級不斷提高的要求,迫切需要對老橋進行相應的升級改建。

1 工程概況

原天門大橋于1970年5月建成通車,橋長105.9 m,橋面總寬11.5 m。上部結構為70 m現澆雙曲拱結構,拱上結構為空腹拱。下部結構為重力式橋臺,樁基礎。主拱為五肋五波拱結構,拱圈曲線為懸鏈線,拱肋寬30 cm、高40～69 cm,拱波內弧半徑100 cm、厚25～54 cm。拱腹為空腹,腹拱立柱與橋同寬(為9.5 m)、厚70 cm,高度42～718 cm不等;腹拱圈為10塊半圓弧板拼裝而成,拱圈厚度有20 cm和30 cm兩種。基礎為鉆孔灌注樁,樁徑1.25 m;承臺厚2.5 m,每個承臺布置4排14根樁。拱上填料為6%石灰+64%煤渣+30%粘土;橋面為10 cm厚瀝青混凝土+5 cm厚膠泥防水層;人行道板為預制安裝、高10 cm,橋面欄桿為鋼欄桿、高1.5 m。

2 橋梁病害情況分析

根據前期現場檢測情況,發現老橋主要存在以下病害,如圖1所示:1)橋面鋪裝出現多條裂縫,且表面風化、骨料外漏,伸縮縫被瀝青覆蓋已失效,人行道地磚缺失,無橋面泄水孔等。2)橋梁上部結構主要存在大面積滲水、涂層開裂,拱波出現大量裂縫,拱肋破損漏筋等。3)橋臺兩側受擠壓導致的順橋向通長開裂、外傾,并且局部伴有混凝土剝落。4)混凝土碳化較為嚴重,部分位置碳化深度較深。

依據《公路橋涵養護規范》[3]和《公路橋梁技術狀況評定標準》[4]對老橋缺損狀況檢測評定,該橋評分為52,技術狀況等級評定為4類。老橋承載能力遠不能滿足目前實際通行荷載公路-Ⅱ級的安全使用要求,應立即停止使用,啟動拆除與新建工作。

3 橋梁拆除施工方案

3.1 雙曲拱橋拆除方法

雙曲拱橋目前常用的拆除方法主要有:爆破法、機鑿法、船舶浮運拆除法、吊移法[5,6]。

1)爆破法:針對雙曲拱結構使用爆破手段將拱圈分離破壞。具體爆破方法分為動態爆破法和靜態爆破法。動態爆破噪音大,可能造成爆破后碎石飛散的狀況。而靜態爆破施工快速簡單,對周邊擾動較小,但爆破時產生的化合物會對橋下河水的水質污染嚴重。

2)機鑿法:利用挖掘機等拆除機械將拱肋機械破壞使其塌落,是最原始的拆除方法,也是應用最廣泛的拆除法。具有履帶式機具施工作業環境的雙曲拱橋可利用機鑿法拆除。

3)船舶浮運拆除法:將多條鋼舶船連成整體,在船上將支架搭設完成后用拖船拖至拱圈下,將主跨結構與橋臺分離后運到岸邊,然后分塊切割。此方法雖然對通航影響小,但是對河道通航能力及鋼舶船的穩定性要求高。

4)吊移法:吊移法的選取依據橋位環境,施工方法分為橋上吊裝和橋下支架法。橋上吊裝是將拱肋切割分離利用貝雷梁將其吊離,橋下支架施工法則是將滿堂支架搭設在橋下支撐拱肋拆除。

老橋的拆除應根據施工方資質、施工作業環境、對環境及周圍居民的影響等,綜合老橋自身的結構穩定性,選擇合適的拆除方法,制定出安全可靠的施工方案。

3.2 老橋拆除施工方案

老橋的拆除施工必須與建造施工步驟相反,在拆橋時嚴格遵循從橋面、拱頂到拱腳,從兩側到拱軸的順序。1)結合基坑圍護工程和新建橋梁工程,合理架設鋼棧橋。設置既與新建橋梁保持合理距離的跨河鋼棧橋,又能兼顧拆除老橋的吊距和吊重要求。擬架設主棧橋為長99 m、寬6 m的鋼管樁、貝雷梁、工字梁和橋面鋼板結構,并架設伸入老橋下和新橋下的7 m寬支棧橋。2)組織拆橋準備工作:人員、機械設備、施工材料、技術工藝與施工流程等,創造施工必需的環境與條件。3)預備安全的運輸通道,封閉交通并安排專人防止市民進入工區。4)使用小型機械、切割機、小型運輸車拆除老橋人行道欄桿、人行道板及橋面系,挖除拱上填料和側墻;5)自中間向兩頭,分拆拼裝的預制腹拱塊,小件可使用挖機裝載,尺寸偏長的可使用起重機吊裝;6)繩鋸切割拱上立柱,炮機拆除承臺立柱;7)挖除橋臺和側墻臺背部分土體,拆除橋臺和側墻;如受場地限制導致拆除橋臺影響相鄰土體失穩,可預留部分橋臺和側墻,待基坑開挖后拆除。8)鑿除部分拱板和拱波(或采用人工鉆孔)并懸打鋼管樁、施工拱肋支架。拆除主拱圈必須按主拱圈的強度和整體性逐步分解,從拆除橋面一直到拆除拱肋,按拱板、拱波、拱肋的順序分批對稱切割拆除卸載,防止主拱圈因荷載不均衡而失穩。9)自中間向兩側,對稱切割拆除拱板和預制拱波。10)切斷主拱拱肋中心,自中心向兩側切割拱肋、橫系梁,分段吊裝拆除,單件質量控制在6.5 t以內。11)采用小型炮機鑿除或繩鋸切割方式,拆除影響樁基施工的部分老橋承臺,施工過程中要保持邊坡穩定,必要時采取加撐、鋼板樁等加固措施。拆除工序圖見圖2。

4 臨時支墩安全性驗算

在橋下順橋向布置5個臨時支墩,布置間距10 m+10 m+15 m+15 m+10 m+10 m。支墩立柱采用φ630×10 mm鋼管樁,中間3個支墩布置順橋向2排、橫橋向3根,兩側2根支墩布置為順橋向1排、橫橋向3根;全橋共計24根鋼管樁支撐。邊側單排鋼管樁與承臺之間通過設置3組6根φ20 mm鋼絲繩連接以提高鋼管樁抗推能力。鋼管樁縱、橫向之間采用16a型鋼設連接系;樁頂橫橋向布置2HN450 mm×200 mm×9 mm×14 mm型鋼作為分配梁。

根據拆除方案,拆除過程按照分割順序,驗算三個工況。工況1:跨中截斷后,節段A(拱頂段)+節段B(拱腳段)作用下臨時支墩受力;工況2:節段A、節段B分割后,在節段A、節段B作用下臨時支墩受力。工況3:拱腳分割后,在節段B作用下臨時支墩受力。MIDAS CIVIL計算取單拱肋。結構參數為:Q235B鋼參數:容許彎曲應力[σ]=140 MPa,容許剪應力[τ]=80 MPa。Q345B鋼參數:容許彎曲應力[σ]=210 MPa,容許剪應力[τ]=120 MPa。

4.1 鋼管墩支反力計算

鋼管墩支反力計算如圖3～圖5所示。

4.2 分配梁計算

分配梁采用HN450×200型鋼,最不利受力狀態發生在拱腳截斷后,最大反力為147.1 kN,橫向考慮中間3根拱肋同時截斷,共同作用在分配梁上。分配梁布置圖如圖6所示。

MIDAS CIVIL計算結果如圖7所示。

鋼管立柱頂分配梁最大正應力σ=93.6 MPa<[σ]=210 MPa ,滿足要求。

最大剪切應力τ=43.0 MPa<[τ]=120 MPa,滿足要求。

鋼管立柱頂分配梁最大絕對變形ν=7.4 mm

綜上可知,根據老橋拆除施工步驟,針對施工中關鍵工序進行了有限元模擬驗算,分析得出該橋的承載力和穩定性均滿足規范要求,證實了該拆除方案的安全性和可操作性。

5 結 語

現澆雙曲拱橋在我國已逐漸被新式橋梁設計所取代,此類橋梁結構受力復雜,而且橋梁拆除也需要考慮施工條件以及對環境的影響,技術要求較高。現有相當一部分雙曲拱橋受當時建設水平的影響已不能滿足現有交通需求,對其進行拆除與新建已成必然趨勢。在此背景下,橋梁拆除施工的安全性和可靠性將成為建設者們的一大熱題。通過對原天門大橋施工環境的考察以及進行有限元分析,結合橋梁拆除理論,拆除施工方案制定合理,保證了橋梁的安全拆除。